无线个域网主要通信技术：

蓝牙(Blue Tooth)
IrDA：红外数据组织，市场份额最大
HomeRF：家庭设备无线互联的工业标准
UWB：超宽带，在很宽频段内发生短脉冲
Zigbee：低速率低成本个域网技术

蓝牙

标准文档

image.png

核心规范

描述了从无线电接口到链路控制的不同层次蓝牙协议体系结构的细节。

  1. 无线电 ：确定包括频率、跳频的使用、调制模式和传输功率在内的空中接口细节。
  2. 基带 ：考虑一个微微网中的连接建立、寻址、分组格式、计时和功率控制。
  3. 链路管理器协议 LMP ：负责在蓝牙设备和正在运行的链路管理之间建立链路。包括诸如认证、加密及基带分组大小的控制和协商等安全因素。
  4. 逻辑链路控制和自适应协议 L2CAP ：使高层协议适应基带层。 L2CAP 提供无连接和面向连接服务。
  5. 服务发现协议 SDP ：询问设备信息、服务与服务特征，使得在两个或多个蓝牙设备间建立连接成为可能 。

概要规范

考虑使用蓝牙技术支持不同的应用。每个概要规范讨论在核心规范中定义的技术，以实现特定的应用模型。分为强制、可选和不适用。可划分为 电缆替代或无线音频。

  1. RFCOMM 属于电缆替代，提供虚拟串行口
  2. TCS BIN 属于无线音频中的电话控制协议，二进制通话控制规范

接纳协议（由其他标准制定并被纳入蓝牙体系结构）

  1. PPP 点对点链路上传输 IP 数据报的因特网标准协议
  2. TCP/UDP/IP 属于 TCP/IP 协议簇的基础协议
  3. OBEX 由 IrDA 开发的会话层对象交换协议
  4. WAE/WAP 无线应用环境和无线应用协议

拓扑结构

  • 点-点模式：两个蓝牙设备直接通信
  • 蓝牙中的基本联网单元是一个微微网piconet，它由一台主设备和1~7台活跃的从设备组成。
  • 一个微微网中的设备也可作为另一个微微网的一部分存在，并在每个微微网中，起从设备或主设备功能,这种形式的重叠被称为散布式网络(scatternet)。多达256个piconet可以连接成更大的网络。
  • 微微网的组成：
    image.png
  • 微微网建立的过程。其中查询和寻呼的过程需要讲清楚。
  • master首先在32个载波上广播查询访问码（IAC），如果standby设备想要加入微微网的话，就会定期侦听IAC消息，侦听到之后返回一个packet，里面有设备的地址和时钟信息。master听到设备返回的消息后，根据地址制定了跳频序列，并发送给S设备跳频序列和时钟信息。S设备收到M设备发送的调频和时钟信息后，会进行时钟同步，并启动M定义的跳频序列。
    image.png

物理链路

SCO（同步面向连接）

  • 主要用于音频、视频传输
  • 主设备（M）和从设备（S）之间具有固定的点对点链路
  • M为S预留两个连续时间槽传送实时数据
  • M可同时支持三个SCO
  • 每个S可有2~3个SCO
  • 是全双工信道
  • 由于是同步的，故数据出错后也不进行重传

ACL（异步无连接）

  • 主要用于尽力而为的数据传输服务
  • M和S之间的点对点/点对多点连接
  • 在没有预留给SCO的时间槽传送无时间规律的分组
  • 每个S结点只有一条ACL
  • 半双工信道
  • 数据出错后可以进行重传

低功耗

image.png
image.png

Zigbee

设计目标：

1、低速率
2、低能耗
3、短距离通信
4、低复杂度

设备类型

FFD

全功能设备（FFD）

  • 任何拓扑结构
  • 泛协调能力
  • 与任何其他设备对话
  • 实现完整的协议集

RFD

简化功能装置（RFD）

  • 限于对等网络中的星形拓扑或终端设备
  • 不能成为PAN协调器
  • 非常简单的实现
  • 简化协议集

拓扑结构及其形成过程

设备模式

  • device：包含IEEE 802.15.4 的RFD或FFD实现介质访问控制和与无线介质的物理接口。
  • PAN协调器：作为PAN的主要控制器的协调器。网络只有一个泛协调器。只有FFD才能成为协调器。

拓扑

image.png

  • 上图展示了两种网状拓扑模式：星形网络和点对点网络。图中的PAN coordinator即上文所谓PAN协调器，只有FFD可以作为PAN协调器。

网络形成

  1. 星形网络的形成
  • 在FFD被激活后，它可以建立自己的网络并成为PAN协调器
  • 选择与周围网络不同的PAN标识符（在射频影响范围内）
  • PAN协调器允许其他设备（可能包括ffd和rfd）加入其网络。
  1. 点对点网络形成
  • 每台设备都能在其无线电影响范围内与任何其他设备通信
  • 一台设备被指定为PAN协调器
  • 通过选择未使用的泛标识符并向相邻设备广播信标帧，形成第一个簇。
  • 接收信标帧的候选设备可以请求在PAN协调器处加入网络。
  • 如果PAN协调器允许设备加入，它会将新设备作为其邻居列表中的子设备添加。
  • 新加入的设备将PAN协调器作为其父级添加到其邻居列表中，并开始传输周期性信标
  • 然后，其他候选设备可以在该设备处加入网络。
  • 一旦满足预定的应用或网络要求，第一PAN协调器可以指示设备成为与第一个簇相邻的新簇的PAN协调器。
  • 其他设备逐渐连接形成多集群网络结构

超帧

了解更全面戳：IEEE 802.15.4协议中超帧简介_ieee802.15.4协议物理层的帧格式_无痕幽雨的博客-CSDN博客
image.png

  • 活动部分被分成16个大小相等的槽

  • 在非活动部分，协调器可以进入低功率模式

  • 信标用于同步连接的设备、识别PAN和描述超帧的结构
    image.png

  • 网络信标：由网络协调器传送。包含网络信息、帧结构和挂起节点消息的通知。

  • 信标扩展期：由于挂起的节点消息，为信标增长保留的空间。

  • 竞争期：任何使用CSMA-CA的节点访问。

  • 保证时隙：为需要保证带宽的节点预留[n=0]

GTS（保证时隙）

  • 对于低延迟应用程序或需要特定数据带宽的应用程序
  • PAN协调器可以将活动超帧的部分专用于该应用程序
  • PAN协调器最多可以分配七个GTS，一个GTS可以占用多个时隙周期

CSMA/CA（2023简答考了）

（重要，考试画图）
详细了解戳：IEEE 802.15.4的信道接入机制<二>信标网络中的CSMA-CA算法_metersun的博客-CSDN博客
CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance)算法应在CAP内传输数据帧或MAC命令帧的传输之前使用；同时不得用于在CFP中传输信标帧、确认帧、数据帧

如果在PAN中使用信标，则MAC层应使用CSMA-CA算法的时隙版本用于超帧的CAP中的传输
如果在PAN中没有使用信标，或信标不能位于启用信标的PAN中，则MAC层将使用CSMA-CA算法的非时隙版本进行发送
在这两种情况下，算法使用称为退避周期的时间单位来实现；其中，一个退避周期应等于aUnitBackoffPeriod

在时隙CSMA-CA中，PAN中每个设备的退避时段边界应与PAN协调器的超帧时隙边界对齐；即，每个设备的第一个退避时段的开始与信标发送的开始对齐；同时，MAC层应确保PHY在退避周期的边界上开始其所有传输

在非时隙CSMA-CA中，设备的退避时段与PAN中任何其他设备的退避时段无关

每个设备应为每次传输尝试维护三个变量：NB（Number of Backoff）,CW(Content Window)和 BE(BAckoff Exponent)。
NB是尝试当前传输时CSMA-CA算法需要退避的次数；在每次新的传输尝试之前，该值应初始化为0
CW是争用窗​​口长度，定义了在传输开始之前需要清除信道活动的退避周期数；在每次传输尝试之前，该值应初始化为2，并在每次评估信道忙时重置为2；CW变量仅用于时隙CSMA-CA。
BE是退避指数，它与设备在尝试评估信道之前应等待多少退避周期有关；在非时隙CSMA-CA或macBattLifeExt设置为FALSE的时隙CSMA-CA中，BE应初始化为macMinBE；在macBattLifeExt设置为TRUE的时隙系统中，该值应初始化为2和macMinBE中的较小值；注意，如果macMinBE设置为0，则在此算法的第一次迭代期间将禁用冲突避免

尽管在该算法的信道评估部分期间启用了设备的接收器，但是设备应丢弃在此期间接收的任何帧
NB就是最多试几次没机会才宣告失败，CW是空闲后等待几个周期一直空闲就可以用了，BE是一个指数，用来确定第一次查询信道空闲之前必须退避的时间的最大值。
CCA技术是802.11协议用来检测信道是否有数据包在传输的物理载波监听技术
和802.11的区别：
首先是BE所造成的退避，这个退避在尝试评估信道空闲之前就已经发生。
其次是NB达到设定的最大值宣告失败，11里面没有宣告失败放弃使用信道的机制。
这些区别在一定程度上避免了竞争。

image.png